南美白對(duì)蝦蝦肉流變學(xué)模型的建立

李立杰，柴春祥*，魯曉翔

（天津商業(yè)大學(xué)生物技術(shù)與食品科學(xué)學(xué)院，天津市食品生物技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 30013 4）

南美白對(duì)蝦蝦肉流變學(xué)模型的建立

李立杰，柴春祥*，魯曉翔

（天津商業(yè)大學(xué)生物技術(shù)與食品科學(xué)學(xué)院，天津市食品生物技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 30013 4）

為了研究在真空微凍狀態(tài)下南美白對(duì)蝦蝦肉流變學(xué)特性的變化，以南美白對(duì)蝦蝦肉為原料進(jìn)行應(yīng)力松弛實(shí)驗(yàn)，基于蝦肉應(yīng)力實(shí)驗(yàn)曲線特征提出了Burgers模型表征其黏彈性的流變模型，獲得其黏彈塑性模型參數(shù)，并研究其變化趨勢(shì)。結(jié)果表明：Burgers模型對(duì)實(shí)驗(yàn)曲線擬合的決定系數(shù)達(dá)到0.99以上，能夠較準(zhǔn)確地表示南美白對(duì)蝦蝦肉的應(yīng)力松弛現(xiàn)象。在貯藏后期，蝦肉的黏性和彈性模量有了明顯下降，且松弛時(shí)間（τ）具有規(guī)律性變化，反映出蝦肉隨貯藏時(shí)間改變其肌肉組織狀態(tài)及品質(zhì)發(fā)生變化，能夠?yàn)槠淇焖贆z測(cè)提供一種方法。

南美白對(duì)蝦；流變；應(yīng)力松弛；Burgers 模型；黏彈性

水產(chǎn)品作為常見(jiàn)的食品原料，其品質(zhì)評(píng)定一直受到人們重視。目前，感官評(píng)價(jià)結(jié)果主觀性強(qiáng)，可重復(fù)性差；化學(xué)分析步驟繁瑣，并且屬于破壞性檢測(cè)[1]，而利用檢測(cè)對(duì)象的力學(xué)、光學(xué)、電磁學(xué)等物理性質(zhì)，在無(wú)需破壞樣品的情況下對(duì)其品質(zhì)進(jìn)行快速、客觀、準(zhǔn)確的檢測(cè)逐漸受到人們重視[2-7]。

食品的流變特性是其重要的物理特性之一，在預(yù)測(cè)食品質(zhì)構(gòu)特性和口感品質(zhì)方面起到非常重要的作用[8]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者陸續(xù)進(jìn)行了食品流變學(xué)性質(zhì)的研究。高昕等[9]對(duì)鮑魚(yú)在加工貯藏過(guò)程中的流變特性進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)鮑魚(yú)的流變學(xué)參數(shù)能夠反映內(nèi)部成分、組織構(gòu)造的變化等。馬龍等[10]對(duì)醬牛肉進(jìn)行應(yīng)力松弛實(shí)驗(yàn)，建立了流變模型，獲得應(yīng)力、應(yīng)變與時(shí)間的變化規(guī)律。Campus等[11]對(duì)高壓處理的海鯉肌肉進(jìn)行流變特性測(cè)試，發(fā)現(xiàn)流變參數(shù)隨處理方式和貯藏時(shí)間的變化而發(fā)生改變。Herrero等[12]對(duì)冷凍貯藏的鱈魚(yú)進(jìn)行應(yīng)力松弛實(shí)驗(yàn)，用模型來(lái)擬合實(shí)驗(yàn)曲線，得到松弛參數(shù)與感官指標(biāo)具有高度的相關(guān)性，表明這些松弛參數(shù)可以對(duì)冷凍鱈魚(yú)質(zhì)量進(jìn)行評(píng)估。然而，蝦作為歡迎程度較廣的食品之一，人們對(duì)其黏彈塑性特征的研究卻非常缺乏，有必要進(jìn)行深入探討。本實(shí)驗(yàn)以鮮活南美白對(duì)蝦為原料，進(jìn)行應(yīng)力松弛實(shí)驗(yàn)，提出了表征其非線性黏彈性的流變模型，對(duì)蝦肉流變學(xué)特性參數(shù)的變化進(jìn)行研究探討，為蝦品質(zhì)快速檢測(cè)提供客觀依據(jù)。

蝦肉水分含量較高，同時(shí)含有大量的蛋白質(zhì)，肌肉組織較松軟，主要由肌原纖維蛋白組成[13]，這就決定了蝦肉既有黏性，也有彈性。蝦肉的黏彈性則可以用能夠同時(shí)反映黏性和彈性的模型來(lái)表示，其中麥克斯韋模型（Maxwell model）和開(kāi)爾芬模型（Kelvin model）是兩種基本的黏彈性模型。

麥克斯韋模型由彈性（E）元件和黏性（η）元件串聯(lián)而成（圖1），此時(shí)模型的總應(yīng)變?yōu)閮稍膽?yīng)變?chǔ)胖停婚_(kāi)爾芬模型是由彈性（E）元件和黏性（η）元件并聯(lián)而成（圖2），兩元件的總應(yīng)變都等于模型的總應(yīng)變，而模型的總應(yīng)力為兩元件的應(yīng)力（σ）之和，這兩個(gè)模型常被用來(lái)反映黏彈性物質(zhì)的流變特性。

圖1 Maxwell模型Fig.1 Maxwell model

圖2 Kelvin模型Fig.2 Kelvin model

但是，食品由脂肪、蛋白質(zhì)、碳水化合物等物質(zhì)組成，屬于復(fù)雜的黏彈性物質(zhì)，單獨(dú)的Maxwell模型和Kelvin模型反映的流變過(guò)程函數(shù)比較簡(jiǎn)單，不足以描述實(shí)際黏彈性物質(zhì)的復(fù)雜流變性質(zhì)[14-16]。所以，對(duì)特殊的黏彈性材料，常將多個(gè)基本元件組合成特定的模型。Burgers模型則是由Maxwell單元和Kelvin單元串聯(lián)在一起，組成的一種四元件的模型（圖3）。這一特殊組合使得其具有Maxwell和Kelvin模型的流變特性[17]。

圖3 Burgers模型Fig.3 Burgers model

Burgers模型的本構(gòu)方程為：

其中，

Burgers模型應(yīng)力松弛公式如下：

其中，

式（1）中：σ(t)為物料承受的瞬時(shí)應(yīng)力/Pa；ε0為形變量/%。

通過(guò)公式計(jì)算可求出胡克體彈性模量E1、E2/（N/mm2），阻尼體的黏度模量η1、η2/（（N·s）/mm2）；應(yīng)力松弛時(shí)間τ1、τ2/s。其中，τ=η/E[18]。

1 材料與方法

1.1 材料

鮮活南美白對(duì)蝦購(gòu)于天津市北辰區(qū)水產(chǎn)市場(chǎng)，每只體質(zhì)量約為15 g。蝦運(yùn)至實(shí)驗(yàn)室，先用碎冰塊致死，抽真空，在－3 ℃條件下貯藏32 d并對(duì)對(duì)其流變性質(zhì)進(jìn)行測(cè)定，前8 d每隔2 d測(cè)定一次；8～20 d每隔4 d測(cè)定一次；后期每隔6 d測(cè)定一次。

1.2 儀器與設(shè)備

TA-XT2i型構(gòu)質(zhì)分析儀 英國(guó)Stable Micro Systems公司；BCD-268WBCS變溫冰箱 青島海爾公司；FA1104電子分析天平 上海精密科學(xué)儀器有限公司；DZQ550L真空充氣包裝機(jī) 杭州佑天元包裝機(jī)械制造有限公司。

1.3 樣品處理及探頭選擇

選取體長(zhǎng)（13±1）cm、質(zhì)量（15±1）g的樣品，去頭去皮，采用TA-XT2i型質(zhì)構(gòu)分析儀進(jìn)行應(yīng)力松弛實(shí)驗(yàn)，應(yīng)力松弛壓縮形變?yōu)?0%。測(cè)試探頭選用直徑50 mm的P50平底柱形探頭；探頭下降、測(cè)試和返回速率均為1 mm/s；實(shí)驗(yàn)測(cè)試時(shí)間保持45 s；數(shù)據(jù)采集速率：500 Hz。

1.4 數(shù)據(jù)處理

應(yīng)力松弛的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)用公式（1）擬合，用Matlab軟件來(lái)計(jì)算處理[19]，從而得到有用的黏彈性參數(shù)，來(lái)比較蝦肉內(nèi)部結(jié)構(gòu)系統(tǒng)產(chǎn)生的變化，為蝦肉的貯藏品質(zhì)評(píng)價(jià)提供依據(jù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 蝦肉的應(yīng)力松弛實(shí)驗(yàn)

應(yīng)力松弛是樣品在恒定應(yīng)變下，應(yīng)力隨作用時(shí)間而減小的現(xiàn)象。蝦肉的應(yīng)力松弛實(shí)驗(yàn)曲線以貯藏2 d時(shí)的樣品為例，見(jiàn)圖4。樣品在30%壓縮形變量下，樣品的應(yīng)力不斷發(fā)生變化，開(kāi)始變化速率很快，之后逐漸變緩，表明蝦肉具有應(yīng)力松弛現(xiàn)象。

圖4 南美白對(duì)蝦貯藏2 d時(shí)的松弛實(shí)驗(yàn)曲線Fig.4 Stress-relaxation curve of Penaeus vannamei on the second day of storage

在整個(gè)貯藏過(guò)程中蝦肉樣品的應(yīng)力松弛實(shí)驗(yàn)曲線與圖4類(lèi)似，用Burgers模型的應(yīng)力松弛方程進(jìn)行擬合，曲線擬合度均達(dá)到0.99以上，說(shuō)明此模型的應(yīng)力松弛方程可以較好地描述蝦肉的應(yīng)力松弛現(xiàn)象。

2.2 應(yīng)力松弛實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

表1 南美白對(duì)蝦在貯藏期間應(yīng)力松弛參數(shù)的變化Table1 Stress-relaxation parameters ofPenaeus vannamei during the storage perriioodd

由公式（1）擬合得出蝦肉在貯藏過(guò)程中應(yīng)力松弛的參數(shù)變化，見(jiàn)表1。隨著貯藏時(shí)間的延長(zhǎng)，應(yīng)力松弛Burgers四元件模型中的彈性模量E1、E2和黏性模量η1、η2明顯小于貯藏初期（第2天）樣品且變化顯著（P＜0.05）；松弛時(shí)間τ1、τ2的變化波動(dòng)較大且均與貯藏初期相比均有顯著性變化（P＜0.05）。而松弛時(shí)間是應(yīng)力松弛特性中重要的參數(shù)，表示應(yīng)力松弛到起始應(yīng)力σ0的1/e 倍時(shí)所需要的時(shí)間，是黏性和彈性行為共同作用的結(jié)果。應(yīng)力松弛時(shí)間和肌原纖維蛋白分子間的黏結(jié)力密切相關(guān)，松弛時(shí)間越長(zhǎng)時(shí)，肌原纖維蛋白分子間黏結(jié)力越大，互相滑動(dòng)所需的時(shí)間越長(zhǎng)。松弛時(shí)間較短時(shí)，則黏結(jié)力變小，此時(shí)黏性形變也較明顯[20]。但Burgers模型中有兩個(gè)松弛時(shí)間，共同反映松弛特性的變化：τ1呈現(xiàn)先下降后上升的變化，而τ2有緩慢下降趨勢(shì)。為了清晰的反映蝦肉在貯藏期間黏彈性的變化，對(duì)獲得的應(yīng)力松弛參數(shù)反復(fù)比較分析，τ1、τ2的比值（τ=τ2/τ1）可較好的表示蝦鮮度的變化規(guī)律（圖5）。蝦肉在貯藏前期τ下降比較平緩，貯藏20 d后，τ顯著下降，這說(shuō)明τ隨貯藏時(shí)間的延長(zhǎng)，有一定的規(guī)律性變化。

圖5 5 τ隨貯藏時(shí)間延長(zhǎng)的變化趨勢(shì)Fig.5 Change in τ during the storage period

2.3 模型的驗(yàn)證

通過(guò)應(yīng)力松弛實(shí)驗(yàn)得到Burgers本構(gòu)模型參數(shù)p1、p2、q1、q2和決定系數(shù)R2，結(jié)果如表2所示。所選Burgers模型的本構(gòu)方程與實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果之間具有較高的決定系數(shù)（R2＞0.99），即所選模型具有較高的合理性與可靠性，可以表示蝦肉的黏彈性變化。

表2 南美白對(duì)蝦貯藏期間的Burgers本構(gòu)模型參數(shù)及擬合方程的決定系數(shù)Table2 Constitutive parameters of the Burgers model and coefficient of determination of the fitted equation forPenaeus vannamei storage periods

3 結(jié) 論

本實(shí)驗(yàn)基于南美白對(duì)蝦準(zhǔn)靜態(tài)壓縮變形特征，提出了Burgers流變模型對(duì)其非線性黏彈性進(jìn)行表征，獲得了其非線性黏彈塑性模型參數(shù)。結(jié)果表明：四元件Burgers模型與實(shí)驗(yàn)結(jié)果擬合程度較高，決定系數(shù)大于0.99，能夠表征南美白對(duì)蝦蝦肉的應(yīng)力松弛現(xiàn)象。并且，應(yīng)力松弛能夠較客觀地描述南美白對(duì)蝦蝦肉的黏彈性變化。從流變學(xué)各特征參數(shù)的變化來(lái)看，隨著貯藏時(shí)間的延長(zhǎng)蝦肉在應(yīng)力松弛過(guò)程中的彈性、黏性有逐漸變小的趨勢(shì)，并且貯藏時(shí)間變化對(duì)應(yīng)力松弛時(shí)間τ1、τ2有明顯影響。流變參數(shù)間接地表明了蝦肉組織結(jié)構(gòu)與品質(zhì)的變化，可以為蝦肉快速無(wú)損檢測(cè)的研究提供理論依據(jù)。

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Rheological Modeling of Penaeus vannamei Meat

LI Li-jie, CHAI Chun-xiang*, LU Xiao-xiang
(Tianjin Key Laboratory of Food Biotechnology, College of Biotechnology and Food Science, Tianjin University of Commerce, Tianjin 300134, China)

This study was conducted to examine the rheological changes of whit e shrimp (Penaeus vannamei) meat under vacuum partial freezing conditions using stress relaxation test. Based on the stress curve characteristics, Burgers rheological model was proposed to characterize the viscoelastic properties of shrimp meat. In addition, viscoelastic parameters were obtained from the model and changing trends were analyzed. The results showed that the rheological model, having a determination coefficient above 0.99, was able to accurately describe the stress relaxation characteristics of shrimp meat. The viscosity and elastic modulus were decreased obviously during the late storage stage, and regular changes in relaxation time (τ) were observed. Therefore, changes in shrimp muscle tissue and quality with storage time may provide experimental data for developing a rapid method to detect shrimp meat.

Penaeus vannamei; rheology; stress relaxation; Burgers model; viscoelastic modulus

TS254.4

A

1002-6630（2014）11-0062-04

10.7506/spkx1002-6630-201411013

2013-07-20

天津市自然科學(xué)基金項(xiàng)目（11JCZDJC17800）；“十二五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目（2012BAD38B01）

李立杰（1987—），男，碩士研究生，研究方向?yàn)槭称芳庸づc貯藏。E-mail：jackieleellj@163.com

*通信作者：柴春祥（1971—），男，教授，博士，研究方向?yàn)槭称菲焚|(zhì)的無(wú)損檢測(cè)。E-mail：ccxiang@tjcu.edu.cn